在一項新的研究中，美國斯坦福大學醫學院生物化學教授、化學與係統生物學教授James Ferrell博士和博士後研究員Xianrui Cheng博士發現破裂的非洲爪蟾卵的細胞質會自發地自我組裝為細胞狀區室。相關研究結果發表在2019年11月1日的Science期刊上，論文標題為“Spontaneous emergence of cell-like organization in Xenopus egg extracts”。
Ferrell博士說，“我們都驚呆了。如果將遭受破壞的計算機的零件混合在一起，最終仍然小片的計算機零件，它們甚至無法做到兩個零件加兩個零件地組裝在一起。但是，瞧，細胞質會自我組裝。”
值得注意的是，這些自組裝的細胞狀區室保留了進行分裂的能力，並且可以形成更小的區室。先前的研究表明，某些亞細胞結構(比如中心體和內質網)可以通過它們的純化組分在細胞外自組裝在一起，這表明這些結構具有一定的自組裝能力。但是，這項新研究在整個細胞的規模和複雜性上提供了自組裝的第一個例子。
區室自發形成
這一發現依賴於Cheng博士的觀察。在研究一種稱為程序性細胞死亡的分子過程時，他注意到在裝有來自非洲爪蟾卵的細胞質提取物的試管中，細胞核表現出異常的行為。Cheng博士說，大約30分鍾後，這些細胞核已組裝好並使得兩個細胞核之間的距離幾乎相等。當他在顯微鏡載玻片上對細胞質提取物進行成像觀察時，他發現細胞質提取物形成了類似於一層細胞的獨特區室。
Cheng博士說，“在提取非洲爪蟾卵的細胞質後，請注意，細胞質已被均質化，它的空間結構已被完全破壞，這時僅讓它在室溫下放置，它就會自我組裝並形成較小的細胞狀單元。這真是太神奇了。”不論是否添加非洲爪蟾精子的細胞核，這些細胞狀區室都會形成，這表明這種自組裝行為依賴於卵子中固有的物質。
為了了解這種現象背後的機製，Cheng博士和Ferrell博士測試了當添加針對細胞骨架蛋白、馬達蛋白(motor protein)和激活其他蛋白的激酶的化學抑製劑時，這種區室形成是否受到影響。這種方法揭示ATP(細胞的主要能量來源)和微管(提供結構支持的細胞骨架細絲)都是區室形成所必需的。作為一種馬達蛋白，動力蛋白(dynein)是正確的微管定位所必需的。
自組裝的區室可進行分裂
這些細胞狀區室不僅看起來像細胞;它們也能夠分裂。Cheng博士和Ferrell博士在鑒定區室形成時使用的非洲爪蟾卵提取物含有一種阻止細胞進入細胞周期的化學物。當移除這種化學物並添加非洲爪蟾精子的細胞核時，這種卵提取物形成的區室經分裂後產生更小的區室。
他們發現，這些區室能夠經曆25輪以上的分裂，這表明這種過程是非常強健的。Cheng博士說，這種分裂也是還原性的，這是因為細胞質的總量保持恒定，並且在每個分裂周期，它會被分裂成越來越小的區室。他說：“從卵子中提取物質，它的分裂方式讓人聯想到胚胎發育。就像在真正的卵子裏應該做的那樣。”
未來發展方向
所有這些發現表明非洲爪蟾卵細胞質具有產生細胞基本空間組織的內在能力，甚至具有它的某些功能。然而，一個懸而未決的問題是這種現象在卵子的正常生理中起什麼作用。另一個問題是這種自我組裝的能力是卵子特有的還是其他類型的細胞共有的。
Cheng博士和Ferrell博士還希望進一步了解這種自組裝發生的必要條件。Ferrell博士說：“我現在最喜歡的問題是，我們可以建立一個簡單的模型來解釋這種組裝過程的內在機製嗎?或者我們必須做一些非常複雜的事情，比如解釋微管可以做的每一件事?”
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